iOS開發RunTime之函數調用 – iPhone手機開發技術文章 iPhone軟體開發教學課程

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經過兩個多月的面試,工作終於塵埃落定瞭。這兩個多月的面試過程中,我發現很多底層基礎的東西大公司非常看重。比如:RunLoop,RunTime,Block等。這篇文章主要是介紹RunTime中函數調用的機制,知識點有一定深度,也是面試過程中能力的體現。

1.Objective-C中的函數調用

對於C語言,函數調用是由編譯器直接轉化完成的,在編譯時程序就開始查找要執行的函數(C語言函數調用原理)。而在OC中,我們將函數調用稱為消息發送。在編譯時程序不查找要執行的函數,必須等到真正運行時,程序才查找要執行的函數。

例子:在C語言中,僅申明一個函數,不去實現。其他地方調用此函數。編譯時就會報錯(C語言編譯時查找要執行的函數,找不到所以報錯)。而同樣的情況在OC中並不會報錯,隻有在運行時候才會報錯。(OC運行時才查找要執行的函數)

2.Objective-C函數調用的底層實現

Objective-C之所以能做到運行時才查找要執行的函數主要歸功於runTime的SDK。下面我們來看看Objective-C是怎麼讓程序擁有運行時特性的。
在runTime的SDK下有一個objc_msgSend()的方法

OBJC_EXPORT id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)

當我們寫下一行代碼[obj doSth];,在編譯時,編譯器會將我們的代碼轉化為

    objc_msgSend(obj,@selector(doSth));

objc_msgSend()方法實現瞭函數查找和匹配,下面是它的原理:

  1. 根據對象obj找到對象類中存儲的函數列表methodLists
  2. 再根據SEL@selector(doSth)methodLists中查找對應的函數指針method_imp
  3. 根據函數指針method_imp調用響應的函數。

    3.objc_msgSend的實現細節

    前面我們隻是簡單的介紹瞭objc_msgSend()的原理,下面我們來詳細看看objc_msgSend是怎麼實現的。
    首先對於任意一個NSObject對象下面都有一個isa的屬性,指向對象對應的Class

    @interface NSObject  {
        Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
    }
    

    根據對象調用即可拿到對應的Class。下面我們來看看Class

    typedef struct objc_class *Class;
    
    struct objc_class {
        Class isa; // 指向metaclass  
    
        Class superclass;  // 指向父類Class
        const char *name;  // 類名 
        uint32_t version;  // 類的版本信息
        uint32_t info;        // 一些標識信息,標明是普通的Class還是metaclass
        uint32_t instance_size;        // 該類的實例變量大小(包括從父類繼承下來的實例變量);
        struct old_ivar_list *ivars;    //類中成員變量的信息
        struct old_method_list **methodLists;    類中方法列表
        Cache cache;    查找方法的緩存,用於提升效率
        struct old_protocol_list *protocols;  // 存儲該類遵守的協議  
    }
    

    由上面的代碼我們能看到Class是一個結構體指針,指向objc_class結構體。在objc_class中存放著methodLists方法列表。所以根據Class我們可以直接找到methodLists
    下面我們來看看怎麼從methodLists中找到對應的函數指針

    struct old_method_list {
        void *obsolete;        //廢棄的屬性
        int method_count;    //方法的個數
        /* variable length structure */
        struct old_method method_list[1];    方法的首地址
    };
    
    struct old_method {
        SEL method_name;    //方法對應的SEL
        char *method_types;        //方法的類型
        IMP method_imp;        //方法對應的函數指針
    };
    

    對於old_method_list結構體,他存儲瞭old_method方法個數和方法首地址。我們可以把他當做一個可變長度的old_method數組。

    開始我也不明白為什麼是method_list[1],數組的大小怎麼會是1呢?後來才想通由於數組的大小是不定的,不同的類對應的不同的方法個數。所以定義時隻存儲首地址,在實際使用過程中再擴展長度

    對於old_method結構體,他由SEL,type,IMP三個成員組成。由此可知,我們隻要在method_list中找到瞭old_method即可拿到函數指針IMP。下面是查找的代碼:

    static inline old_method *_findMethodInList(old_method_list * mlist, SEL sel) {
        int i;
        if (!mlist) return nil;
        for (i = 0; i method_count; i++) {
            old_method *m = &mlist->method_list[i];
            if (m->method_name == sel) {
                return m;
            }
        }
        return nil;
    }
    
    1. 查找函數是個內聯函數,傳入old_method_listSEL,返回old_method
    2. 首先對old_method_list數組判空,如果為空,返回nil
    3. 遍歷old_method_list數組,根據SEL匹配,找到old_method

      4.函數調用的性能優化

      上面部分我們已經講完瞭函數調用的基本過程。在看完上面部分之後大傢可能會有疑惑:Objective-C的函數調用是如此的復雜,會不會導致運行起來非常慢呢?畢竟每調用一個函數都要走這麼多過程。
      別急,其實在調用的過程中蘋果對其做瞭一些性能優化,使得其調用並不比C語言很多。下面我們來具體看看做瞭哪些性能優化:

      4.1 SEL的使用

      大傢可能早就有疑惑瞭,前面一直在說SELSEL到底是個什麼東西?

      /// An opaque type that represents a method selector.
      typedef struct objc_selector *SEL;
      

      蘋果對SEL的官方解釋是:一種不透明的類型,它代表著一個方法選擇器。
      SEL本質其實是一個int類型的地址,指向存儲的方法名。對於每一個類,都會分配一塊特殊空空間,專門存儲類中的方法名,SEL就是指向對應方法名的地址。由於方法名字符串是唯一的,所以SEL也是唯一的。
      為什麼不直接使用方法名而使用SEL呢?這個問題沒有找到比較官方的資料,個人認為由於方法名是字符串,SEL是int類型,使用時int類型更方便,效率更高(特別是比較相等時,字符串的比較比int的比較效率低很多)

      4.2 cache的使用

      我們來仔細分析一下函數的調用過程:

      obj->isa->methodLists
      old_method->method_imp
      
      1. 由於isaobj的成員變量,methodListsisa的成員變量,所以用obj可以直接拿到methodLists
      2. 由於method_impold_method的成員變量,所以用old_method可以直接拿到method_imp

        所以函數調用過程的主要時間消耗在methodLists中查找old_method
        cache就是用來優化這個查找過程的。
        我們可以把cache簡單當成一個哈希表,keySELValueold_method。由此可知,從cache中查找old_method相當簡單高效。
        methodLists中查找old_method的真正過程分為如下兩步:

        1. 通過SELcache中查找old_method,若找到瞭直接返回,若未找到執行2
        2. methodLists中查找old_method,找到之後先將old_method插入cache中以方便下次查找,再返回old_method

          由此可知,在第一次調用某個函數時,會比較慢,因為cache中沒有這個函數,第二次調用時就會非常快瞭

          總結

          這篇文章主要是講Objective-C中函數調用的過程,其他不太相關的東西就被忽略瞭,例如objc_class結構體中其他成員變量作用,本類中查找不到函數怎麼去父類中查找,如果沒有找到函數怎麼辦?這些問題我可能後續還會有文章介紹,現在暫時先寫到這吧。如果有人想要瞭解可以在評論區提問或者加QQ群討論。大傢有什麼異議的地方也可以和我說

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